基于模塊化設(shè)計(jì)方法的服務(wù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、第卷第期年月機(jī)電工程匱，機(jī)器天技術(shù)溺基于模塊化設(shè)計(jì)方法的服務(wù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)舒暢，熊蓉，傅周東（浙江大學(xué)流體傳動(dòng)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州；浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程系，浙江杭州）摘要：為了降低服務(wù)機(jī)器人的開發(fā)周期與成本，基于模塊化設(shè)計(jì)方法，對(duì)服務(wù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模塊化劃分，并對(duì)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)布局、傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)、身體穩(wěn)固性、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)闡述。樣機(jī)組裝及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于模塊化設(shè)計(jì)方法的服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品開發(fā)周期短，其性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：模塊化；服務(wù)機(jī)器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)：（），（，；，）：船，：；引言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域越來

2、越廣泛，從傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域向軍事、醫(yī)療、服務(wù)等各個(gè)領(lǐng)域滲透。傳統(tǒng)的機(jī)器人設(shè)計(jì)主要面向特定的應(yīng)用場合，機(jī)械結(jié)構(gòu)往往根據(jù)應(yīng)用展開定制性的設(shè)計(jì)和研制，不同應(yīng)用的機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)事實(shí)上存在很多的重復(fù)設(shè)計(jì)。微軟公司董事會(huì)主席比爾蓋茨曾預(yù)言舊：個(gè)人服務(wù)機(jī)器人將重復(fù)個(gè)人計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)崛起的道路，成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?。在這種趨勢下，面向特定應(yīng)用的機(jī)器人設(shè)計(jì)模式越來越不能滿足快速增長的服務(wù)機(jī)器人市場。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化，必須將模塊化設(shè)計(jì)思想引入到機(jī)器人設(shè)計(jì)中。在過去的年中，模塊化機(jī)器人的研究經(jīng)歷了從最初的概念性研究到實(shí)體機(jī)器人制作的整個(gè)過程，并已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域得到了實(shí)際應(yīng)用舊。本研究面向各類服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用需求，提

3、出一種模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行模塊化結(jié)構(gòu)分析，詳細(xì)介紹各模塊的功能定義和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：其具有良好的移動(dòng)特性，各模塊的性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。模塊化結(jié)構(gòu)分析機(jī)器人模塊化體系結(jié)構(gòu)是指對(duì)機(jī)器人各功能構(gòu)件進(jìn)行模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化分解，實(shí)現(xiàn)軟、硬件分離與功能獨(dú)立化，充分體現(xiàn)面向不同應(yīng)用領(lǐng)域的可重構(gòu)的通用機(jī)器人的總體系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)”。國內(nèi)外觀點(diǎn)認(rèn)為，為推進(jìn)服務(wù)機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化，必須研究模塊化的機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)，將不同功能構(gòu)件作為組成機(jī)器人系統(tǒng)的元素，最終通過集成這些模塊來構(gòu)建滿足用戶需求的機(jī)器人系統(tǒng)。模塊化機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是模塊的劃分和模塊的設(shè)計(jì)。模塊的劃分既要考慮模塊化機(jī)器人的應(yīng)用范圍、工件特

4、點(diǎn)和性能，同時(shí)也要符合以下幾條基本原則：收稿日期：一一基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“”計(jì)劃）資助項(xiàng)目（）作者簡介：舒暢（一）男，四川攀枝花人，主要從事機(jī)器人學(xué)及機(jī)械設(shè)計(jì)方面的研究：伽一通信聯(lián)系人：傅周東，男，副教授：萬方數(shù)據(jù)機(jī)電工程第卷（）每個(gè)模塊單元在功能上應(yīng)具有獨(dú)立性，可實(shí)現(xiàn)某一特定的功能。（）每個(gè)模塊單元與其它單元之間的連接應(yīng)盡可能的簡單，機(jī)械接口連接應(yīng)方便、快捷、可靠。（）每個(gè)模塊在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)上應(yīng)具有相對(duì)的獨(dú)立性。本研究將服務(wù)機(jī)器人從機(jī)械結(jié)構(gòu)上分為種主要功能模塊刁，分別為行走模塊、身體框架、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊（如圖所示），同一功能模塊可以有不同的尺度和運(yùn)動(dòng)方式。行走模塊是機(jī)器人的移

5、動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元；身體框架用于搭載其他模塊、各類控制板卡、傳感器和人機(jī)接口；關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊用于實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力輸出。機(jī)械結(jié)構(gòu)上，種模塊互相獨(dú)立，通過變更和組合種模塊就能搭配出適用于不同應(yīng)用場合的機(jī)器人產(chǎn)品。每一個(gè)模塊可方便地進(jìn)行更換。節(jié)驅(qū)動(dòng)圖機(jī)器人模塊構(gòu)成下面對(duì)不同模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。行走模塊設(shè)計(jì)行走模塊是機(jī)器人的移動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元，目前應(yīng)用較多的移動(dòng)方式通常有車輪式、履帶式、關(guān)節(jié)式和復(fù)合式。這里介紹一種（，）排布的車輪式行走模塊口。該行走模塊采用雙電機(jī)差速控制個(gè)驅(qū)動(dòng)前輪，通過控制左右輪轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，具有精度高、轉(zhuǎn)向靈活等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)相同且相互獨(dú)立。不考慮輪子本身的彈性系數(shù)及阻尼對(duì)系統(tǒng)的影響

6、，并假定機(jī)器人在水平面上運(yùn)行，輪子與地面滿足純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)條件。機(jī)器人在平面上的位姿描述如圖所示。圖位姿描述筆者建立了固定坐標(biāo)系，。，：，固結(jié)于機(jī)器人底盤的動(dòng)坐標(biāo)系。，：，為兩同定驅(qū)動(dòng)輪中心連線的中點(diǎn)，為車體相對(duì)于圊定坐標(biāo)系姿態(tài)角。本研究定義了三維廣義坐標(biāo)向量來表示機(jī)器人底盤的位姿為：（弗），）（）定義旋轉(zhuǎn)變換矩陣為：，。口口（）（）圖中，輪子中心為；（江，代表左、右輪），朋；長度為。輪子相對(duì)于起始位置的轉(zhuǎn)動(dòng)角分別為妒、妒：。輪半徑為。由純滾動(dòng)條件可得約束方程如下。對(duì)輪：一（）亭咖。（）對(duì)輪：（）面：（）同時(shí)，兩輪滿足：（）（）將；（壺夕臺(tái)）代入，可得：（）選取車輪的角速度訌為狀態(tài)分量，可得運(yùn)動(dòng)學(xué)

7、模型：（）由式（），代人具體的、值，給定左右輪的角速度章和姿態(tài)角，即町確定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。由于減速器的減速比為，理論上給定電機(jī)某一角速度，即可知輪子此時(shí)的角速度為。但由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶來的偏差，輪子轉(zhuǎn)速會(huì)產(chǎn)生誤差，影響機(jī)器人移動(dòng)精度。為了從機(jī)械結(jié)構(gòu)上提高行走模塊的控制精度，本研究做了如下優(yōu)化，如圖所示：圖驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)日，一，妒妒萬方數(shù)據(jù)第期舒暢，等：基于模塊化設(shè)計(jì)方法的服務(wù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（）驅(qū)動(dòng)輪采用與減速器輸出軸直連的傳動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)緊湊，并簡化了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。（）在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中加入一對(duì)深溝球軸承，使車輪帶來的徑向力作用于支架，減速器輸出軸只承受扭矩，避免了減速器輸出軸上受到過大的徑向力而影響減速器的壽

8、命。（）輪轂和軸采用錐面漲緊套進(jìn)行連接，這種連接不會(huì)削弱連接軸、轂強(qiáng)度，并具有易拆卸、無間隙、對(duì)中性好、傳動(dòng)力矩大等優(yōu)點(diǎn)。（）模塊結(jié)構(gòu)獨(dú)立，通過各模塊上設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械接口可方便地進(jìn)行組裝。身體框架設(shè)計(jì)服務(wù)機(jī)器人的身體框架用于連接其他模塊，搭載各類控制板卡、傳感器和人機(jī)接口。為使內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊、易于維護(hù)，身體框架在空間上應(yīng)具有多層結(jié)構(gòu)，并且具備通用的機(jī)械接口。身體框架從下到上分為個(gè)空間層次：第層為底盤，用于安裝行走模塊、蓄電池；第層安裝各類控制板卡、傳感器和人機(jī)接口；第層安裝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊。其中底盤采用三輪支撐，包括個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和個(gè)萬向輪。由于仿人機(jī)器人的高寬比一般比較大，容易造成機(jī)器人不穩(wěn)甚至傾倒，

9、合理的布置重心位置可以改善這一情況。設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定重心的位置，然后根據(jù)重心調(diào)整萬向輪觸地點(diǎn)位置，如圖所示。圖中，是萬向輪觸地點(diǎn)，重心位于機(jī)器人左右對(duì)稱中線略靠后位置，并落在個(gè)輪子觸地點(diǎn)構(gòu)成的三角形內(nèi)。圖重心位置身體框架在結(jié)構(gòu)上具有如下特點(diǎn)：（）采用鋁型材作為支架具有重量輕、強(qiáng)度好、拆裝方便等優(yōu)點(diǎn)。鋁型材本身具有安裝槽，是一種良好的機(jī)械接口，不需額外加工安裝孔，各種連接件的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)、通用。（）機(jī)器人選用三輪支撐結(jié)構(gòu)，不需要懸掛機(jī)構(gòu)即可保證所有輪子同時(shí)著地。（）優(yōu)化重心分布，最大程度上避免了選用三輪支撐結(jié)構(gòu)帶來的重心不穩(wěn)的問題，同時(shí)在機(jī)器人減速時(shí)。由于重心靠后，避免了機(jī)器人向前傾倒。關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊

10、設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊用于實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力輸出。典型的服務(wù)機(jī)器人關(guān)節(jié)自由度分布如圖所示：兩只手臂各有個(gè)自由度，分布于肩部和肘部，頭部有個(gè)自由度。這個(gè)自由度兩兩為一組，每組個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)軸呈正交布置。本研究將關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊按驅(qū)動(dòng)力矩分為種類型，如表所示。圖自由度分布表模塊驅(qū)動(dòng)力矩本研究中的驅(qū)動(dòng)部件選用韓國公司生產(chǎn)的系列數(shù)字舵機(jī)，該款舵機(jī)具備總線式控制結(jié)構(gòu)，峰值轉(zhuǎn)矩可達(dá)，適合用作關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)。經(jīng)實(shí)測，為使舵機(jī)不因發(fā)熱量過大而自我保護(hù)，它的連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩不應(yīng)超過。故在肩部采取了兩種方式增大舵機(jī)的出力：一種是兩舵機(jī)通過齒輪嚙合并聯(lián)輸出；一種是通過：同步帶減速輸出。頭部同樣采用同步帶減速方式增加舵機(jī)的輸出力矩

11、減速比為：。肩部關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊（型）的結(jié)構(gòu)如圖所示。舵機(jī)通過齒輪嚙合帶動(dòng)連接軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)大臂旋轉(zhuǎn)；舵機(jī)通過同步帶減速帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)大臂俯圖型關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)前命業(yè)后萬方數(shù)據(jù)機(jī)電工程第卷仰。齒輪箱底部有螺紋孔，模塊通過螺釘固定。輸出軸可通過固定環(huán)將動(dòng)力輸出。 肘關(guān)節(jié)處所需的驅(qū)動(dòng)力矩較小，直接使用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)即可滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)最為簡單，這里不做重復(fù)介紹。頭部關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊（型）的結(jié)構(gòu)如圖所示。軸承組件中包括個(gè)帶止推滾珠的滾針軸承和個(gè)深溝球軸承，保證頭部運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)晃動(dòng)。安裝座上有螺紋孔，模塊通過螺釘固定。輸出軸同樣通過固定環(huán)將動(dòng)力輸出。輸出軸大輪圖型關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊在結(jié)構(gòu)上具有如下特點(diǎn)：（）采用舵機(jī)并聯(lián)輸

12、出或同步帶二次減速的方式作為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)緊湊、控制方便。（）模塊間均可通過同種規(guī)格螺釘與支架連接，拆裝方便。通過變更支架形式或安裝孔位即可調(diào)整關(guān)節(jié)之間相對(duì)位置。（）開發(fā)出的不同關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊可根據(jù)需要進(jìn)行組合應(yīng)用于不同的服務(wù)機(jī)器人，避免了重復(fù)設(shè)計(jì)，降低了設(shè)計(jì)成本。樣機(jī)組裝及實(shí)驗(yàn)根據(jù)以上的服務(wù)機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)方法，本研究開發(fā)研制了一款具有個(gè)關(guān)節(jié)自由度的輪式服務(wù)機(jī)器人。機(jī)器人外形尺寸為。重，如圖所示。其上配備了紅外和超聲傳感器、激光測距儀、攝像頭、一體化平板電腦、點(diǎn)陣屏等多種電氣設(shè)備，具有迎賓、導(dǎo)游、才藝表演等功能。機(jī)器人從著手設(shè)計(jì)到樣機(jī)交付歷時(shí)僅個(gè)月，各項(xiàng)性能參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。樣機(jī)組裝完成后，

13、本研究還進(jìn)行了遙控行走、自主行走、迎賓、跳華爾茲等多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，其使用情況良好，運(yùn)行穩(wěn)定，證明了這種設(shè)計(jì)方案是可行的。圖跳華爾茲實(shí)驗(yàn)結(jié)束語本研究提出并闡述了服務(wù)機(jī)器人的一種模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)從功能定義和零件選型著手，使機(jī)械結(jié)構(gòu)滿足機(jī)器人模塊化體系要求；對(duì)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)布局、傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)、身體穩(wěn)同性、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)闡述；并根據(jù)設(shè)計(jì)分析制作了服務(wù)機(jī)器人樣機(jī)。樣機(jī)組裝及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用該設(shè)計(jì)方案開發(fā)周期短，制作出的機(jī)器人性能穩(wěn)定。參考文獻(xiàn)（）：熊光明，趙濤，龔建偉，等服務(wù)機(jī)器人發(fā)展綜述及若干問題探討機(jī)床與液壓，（）：國家計(jì)劃先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域辦公室中國機(jī)器人模塊化體系結(jié)構(gòu)框架發(fā)展藍(lán)皮書國家計(jì)劃

14、先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域辦公室，王兵，蔣蓁模塊化重構(gòu)機(jī)器人技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展綜述機(jī)電工程，（）：趙涓涓，李強(qiáng)，任美榮，等六足仿牛機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)機(jī)電程技術(shù)，（）：“一李樹軍，張艷麗，趙明揚(yáng)可重構(gòu)模塊化機(jī)器人模塊及構(gòu)型設(shè)計(jì)東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，（）：一羅成，秦紅玲六足機(jī)器人模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)電工程，（）：一陳航，殷國富，趙偉，等業(yè)機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)研究機(jī)械，（）：，（）：司震鵬，曹西京，姜小放自由度模塊化機(jī)器人的設(shè)計(jì)輕工機(jī)械，（）：蘇先義，艾青林，胥芳鋼帶并聯(lián)機(jī)器人的位置分析及其仿真輕工機(jī)械（）：編輯：張翔萬方數(shù)據(jù) 基于模塊化設(shè)計(jì)方法的服務(wù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作者：舒暢， 熊蓉， 傅周東作者單位：舒暢,

15、傅周東(浙江大學(xué)流體傳動(dòng)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江,杭州,310027， 熊蓉(浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程系,浙江,杭州,310027刊名：機(jī)電工程英文刊名：MECHANICAL & ELECTRICAL ENGINEERING MAGAZINE年，卷(期：2010，27(2引用次數(shù)：0次參考文獻(xiàn)(10條1. 熊光明,趙濤,龔建偉,等.服務(wù)機(jī)器人發(fā)展綜述及若干問題探討J.機(jī)床與液壓,2007,35(3:212-215.2. 國家863計(jì)劃先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域辦公室.中國機(jī)器人模塊化體系結(jié)構(gòu)框架發(fā)展藍(lán)皮書R.國家863計(jì)劃先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域辦公室,2009.3. 王兵,蔣蓁.模塊化重構(gòu)機(jī)器人技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)

16、展綜述J.機(jī)電工程,2008,25(5:1-4.4. 趙涓涓,李強(qiáng),任美榮,等.六足仿牛機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J.機(jī)電工程技術(shù),2008,37(12:44-45.5. 李樹軍,張艷麗,趙明揚(yáng).可重構(gòu)模塊化機(jī)器人模塊及構(gòu)型設(shè)計(jì)J.東北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004,25(1:80-83.6. 羅成,秦紅玲.六足機(jī)器人模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)J.機(jī)電工程,2009,26(6:17-19.7. 陳航,殷國富,趙偉,等.工業(yè)機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)研究J.機(jī)械,2009,36(3:56-58.8. CAMPJON G,BASTIN G,ANDREA B D.Structural properties and classif